高温面非定常冷却中の濡れ拡がり速度と濡れ開始点の最大熱流束変化について

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13650231
• 研究機関: 佐賀大学
• 研究代表者: 門出 政則 佐賀大学, 理工学部, 教授 (80109222)
• 研究分担者: 光武 雄一 佐賀大学, 理工学部, 助手 (20253586)
• キーワード: 非定常冷却 / 高温面 / 熱伝導逆問題 / 2次元冷却 / 濡れ広がり / ラプラス変換

研究概要

ライデンフロスト温度以上の高温面を衝突噴流によって水冷するとき、高温面が液体で濡らされているかどうかによって、その熱伝達量が100倍以上異なる。従って、高温面の濡れ条件や濡れの拡大速度を明らかにすることは、伝熱工学的に非常に重要なことである。
本研究は、高温面が急冷されるときの表面温度と熱流束を固体側から推定するために必要となる逆問題解についてまず検討した。本研究で得られた2次元逆問題解は、表面温度と熱流束を固体内で測定された温度変化からその精度とほぼ同程度の誤差で推定することが可能な解であることを数値計算によって確認した。更に、その解を移動熱源に適用し、その位置を正確に特定できることも確認した。
実際の冷却実験は、高温面として銅、真鍮、鋼の3種類の固体を用いて、実験は、冷却液として水を使用し、圧力0.1MPa、噴流径2mm、噴流速度6,10,15m/s、サブクール度20,50,80K初期温度250,300℃の範囲で行われた。
固体内の温度変化から、急冷却中の表面温度変化と熱流束変化を推定することが可能となり、急冷中の熱移動特性を明らかにした。また、濡れ面の位置を温度変化から、推定し、観察結果との比較から、熱流束の時間変化が最大値となる点が濡れ面の位置にほぼ対応していることが明らかになった。また、各点での最大熱流束は、濡れ面位置の到達後に現れること分かった。
濡れ位置の移動速度は、固体の熱慣性(ρcλ,ρ:密度、c:比熱、λ:熱伝導率)の小さいものほど、逆に液の熱輸送が大きいほど、大きいことが分かった。
最大熱流束の値は、軸方向に減少することおよび固体の熱物性に大きく依存することが分かった。一方、最大熱流束点の表面温度変化は、固体の熱物性に大きく依存しないことを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] 門出政則, 有馬博史, 光武雄一, 劉維, Jaffar Hammad: "ラプラス変換を用いた2次元熱伝導逆問題の解析的解法"日本機械学会論文集B編. 68巻・666号. 473-480 (2002)
• [文献書誌] Hammod J., Monde M., Mitsutake Y., Arima H.: "Determination of Surface Temperature and Heat Flux using Inverse Solution for Two Dimensional Heat Conduction"Thermal Science and Engineering. 10巻・2号. 17-26 (2002)
• [文献書誌] Arima H., Monde M., Mitsutake Y.: "Estimation of Surface Temperature and Heat Flux using Inverse Solution for One Dimensional Heat Conduction"Thermal Science and Engineering. 10巻・2号. 27-38 (2002)
• [文献書誌] 門出政則, 劉 維, 有馬博史, 光武雄一, Jaffar, Mammad: "ラプラス変換を用いた熱伝導の逆問題解の改善(時間区分法)"日本機械学会論文集B編. 68巻・671. 2093-2097 (2002)
• [文献書誌] 門出政則, 有馬博史, 劉 維, 光武雄一, Jaffar, Hammod J.: "ラプラス変換を用いた2次元熱伝導逆問題の解析的解法(測定点数と内挿方法について)"日本機械学会論文集B編. 68巻・672. 2306-2312 (2002)
• [文献書誌] 門出政則, Jaffar Hammad, 有馬博史, 光武雄一: "ラプラス変換を用いた2次元非定常熱伝導の逆問題解の応用"日本機械学会論文集B編. 68巻・674. 2811-2817 (2002)